Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
Das Fraunhofer ISE setzt sich für ein nachhaltiges, wirtschaftliches, sicheres und sozial gerechtes Energie- versorgungssystem basierend auf regenerativen Energien ein. Es schafft technische Voraussetzungen für eine effiziente und umweltfreundliche Energieversorgung, sowohl in Industrie- als auch in Schwellen- und Entwicklungsländern. Hierzu entwickelt das Institut Materialien, Komponenten, Systeme und Verfahren in insgesamt sieben Geschäftsfeldern: Energieeffiziente Gebäude und Gebäudetechnik, Angewandte Optik und funktionale Oberflächen, Solarthermie, Silicium-Photovoltaik, Alternative Photo- voltaik-Technologien, Regenerative Stromversorgung und Wasserstofftechnologie.
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Silicium-Photovoltaik
Bei der kristallinen Silicium-Photovoltaik bildet das Fraunhofer ISE die gesamte Wertschöpfungskette ab. Im Silicium Material Technologie- und Evaluationscenter SIMTEC verfügt das Institut über eine Kristallisationsanlage, die die Herstellung von 15 bis 250 kg schweren multikristallinen Blöcken erlaubt.
Auch an Säge- und Schleiftechnologie wird gearbeitet. Im 500 m² großen Reinraumlabor steht die Entwicklung von hocheffizienten Solarzellenkonzepten und -prozessen im Mittelpunkt. Bei der
kristallinen Silicium-Dünnschichtsolarzelle forscht das Fraunhofer ISE am Konzept des Waferäquivalents.
Das Photovoltaik Technologie Evaluationscenter PV-TEC verfügt über mehr als 1200 m² Technologie- fläche im Pilotmaßstab, mit einem Durchsatz von mehr als 100 Wafern pro Stunde. Ergänzt werden die Technologieschwerpunkte durch einen exzellenten Charakterisierungs- und Simula tions pool. Das Pho- tovoltaik Modul-Technologiecenter (MTC) am Fraunhofer ISE ermöglicht schließlich die Verarbeitung neuer Zellen und Materialien in aussagekräftigen Stückzahlen und Formaten.
III-V-Halbleiter
Hier liegen die Schwerpunkte auf der Konzentratortechnologie für Kraft- werke sowie Weltraumanwendungen. Mehrfachsolarzellen auf Basis von III-V-Halbleitern erzielen heute die höchsten Wirkungsgrade für jede Art von Solarzellen. Dreifachsolarzellen aus GaInP/GaInAs/Ge werden bereits seit Jahren erfolgreich im Weltraum eingesetzt. Das Fraunhofer ISE hat daran mitgewirkt, dass diese höchsteffizienten Zellen auch terrestrisch, im Zusam- menspiel mit der optischen Konzentration des Sonnenlichts, erfolgreich in
den Markt eingeführt werden konnten. Weitere Märkte sind Spezialanwendungen wie die Laser-Lei- stungsübertragung oder die Thermophotovoltaik. Auch hier werden die Arbeiten ergänzt durch die Entwicklung angepasster Charakterisierungstechniken und -geräte sowie das Kalibrieren der Mehrfach- solarzellen im Kalibrierlabor CalLab. Darüber hinaus entwickelt das Fraunhofer ISE komplette Konzen- tratormodul- und -systemlösungen sowie angepasste Fertigungsprozesstechnologie in seinem Concentrator Technology and Evaluation Center (ConTec).
Farbstoffsolarzellen
Mit dem Ziel der Gebäudeintegration entwickelt das Fraunhofer ISE die Farbstoffsolarzellentechnologie zur Marktreife. Neben der Entwicklung von Zell- und Herstellungskonzepten stehen Arbeiten zur Aufskalierung von Farbstoffsolarmodulen für die Anwendung im Architekturbereich im Vorder- grund. Das Institut zeigte in Prototypen die Vorteile der Fertigung, die Industrietechniken wie Siebdruck und neue Versiegelungskonzepte ein- schließt; ebenso die Möglichkeit gestalterische Aspekte umzusetzen.
Die Beständigkeit der Module wird im Labor und unter Außenbewitterung getestet.
Innovative Forschung
für den
Markt
Photovoltaik Fraunhofer ISE
Fraunhofer-Institut für Solare
Energiesysteme Heidenhofstr. 2 79110 Freiburg www.ise.fraunhofer.de Öffentlichkeitsarbeit Karin Schneider Tel.: 0761 4588-5147 karin.schneider@
ise.fraunhofer.de
ConTec
Farbstoffsolarmodul
Mitgliedsinstitut des FVEE
41 Solarthermische Kraftwerke
Solare Wärme und Kälte Organische Solarzellen
Bei organischen Solarzellen wird der Kostenvorteil über neue Zellarchitektu- ren sowie Rolle-zu-Rolle-Produktionsverfahren weiter optimiert. Das Institut entwickelt neue Zellarchitekturen, die basierend auf kostengünstigen Materialien mit effizienten Verfahren hergestellt werden können. Mit dem Ziel höherer Effizienzen und Lebensdauern werden neue organische Halblei- ter und Elektroden untersucht, in beschleunigten Alterungstests auch die Eignung von Verkapselungsmaterialien.
Testzentren
Die Kalibrierlabore für Solarzellen und -module des Fraunhofer ISE zählen zu den weltweit führenden. In Kooperation mit dem VDE betreibt das Institut die Charakterisierung und Zertifizierung von PV-Modulen. Rund um PV-An- lagen bietet das ISE ein breites Dienstleistungsspektrum an, von Ertragsgut- achten über Anlageninspektionen bis hin zum Langzeit-Monitoring.
Selektive Schichten für Absorberrohre in solarthermischen Kraftwerken sowie neue Kraftwerkskonzepte auf Fresnel-Basis, aber auch Wirtschaftlich- keitsberechnungen von Kraftwerken unterschiedlicher Größe stehen im Mit- telpunkt der Arbeiten des Fraunhofer ISE zur Hochtemperatur-Solarthermie.
Das Fraunhofer ISE entwickelt und prüft solarthermische Kollektoren und Kollektorsysteme für vielfältige Anwendungen, von der Brauchwasser- und Solarheizungsanlage über die Kühlung und Klimatisierung bis hin zu fassadenintegrierten Kollektoren und konzentrierenden sowie Fresnel- Kollektoren für Kraftwerke und Prozesswärme. Ein Schwerpunkt liegt auf der Erzeugung von Antriebswärme für Absorptionskältemaschinen.
Systemtechnik und Netzmanagement
Seit vielen Jahren ist das Fraunhofer ISE führend in der Entwicklung von Leistungselektronik für Umrichter und Ladetechnik. Jüngster Weltrekord ist ein Wechselrichter mit 99,03 % Wirkungsgrad. Auf der Basis modernster Kommunikationstechnologie entwickelt das Institut neue Konzepte und Komponenten für das Energiemanagement von dezentralen Erzeugern und Verbrauchern im Verteilnetz. Ziel ist dabei, den rasant steigenden Einspeise-
raten erneuerbarer Energien in die Verteilnetze und den damit verbundenen technischen, ökonomi- schen und ökologischen Anforderungen Rechnung zu tragen (Smart Grids). Eine zunehmend wichtige Rolle in diesem Kontext spielt die Elektromobilität. Hier liegen die Schwerpunkte des Instituts in der Energieübertragung zwischen Fahrzeug und Netz, der Entwicklung von hocheffizienter Ladetechnik sowie von Metering- und Abrechnungs- und Kommunikationslösungen.
Organische Solarzelle
Solarsimulator
Solare Klimatisierung
Wechselrichter
Mitgliedsinstitut des FVEE
42 Gasbrenner
Biomasse
Ein integraler Planungsansatz für Nullenergiegebäude – und langfristig sogar für das Haus als Netto-Energieerzeuger – stehen im Mittelpunkt der Arbeiten. Das Fraunhofer ISE unterstützt Hersteller bei der Entwicklung neuer Komponenten und Geräte ebenso wie Planer und Architekten bei der Konzipierung anspruchsvoller Bauwerke. Die Themen reichen von Tageslicht und Sonnenschutz über Wärmespeicherfähigkeit von Bausystemen, Kühlkonzepte, thermische Aktivierung von Bauteilen, Wärmepumpen und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung bis hin zur solaren Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstüt- zung mit Solarenergie sowie Integration von Photovoltaik in die Gebäudehülle und Verfahren zur energieeffizienten Betriebsführung und Regelung von Gebäuden.
B io ma ss e Bei der Umwandlung und Nutzung von Biomasse steht am Fraunhofer ISE die Entwick- lung einer Technikumsanlage zu einem neu entwickelten Holzvergasungsverfahren im Mittelpunkt. Auch Studien zu Biomassepotenzialen sowie die Erstellung von Energie- und CO2-Bilanzen von Verfahren zur Biomassekonversion sind Forschungsthemen. Im Rahmen der Reformertechnik befasst sich das Fraunhofer ISE mit der Erzeugung von Synthesegasen aus Bioethanol.
Energiespeicherung
Ziel der Arbeiten am Fraunhofer ISE sind marktfähige Brennstoffzellensys - teme für die autonome Stromversorgung für netzferne Anwendungen und für portable elektronische Kleinsysteme. Dafür werden Membranbrennstoff- zellen im Leistungsbereich von mW bis mehreren hundert Watt entwickelt, inklusive ihrer Versorgung mit Wasserstoff oder Methanol. Neben der Brenn- stoffzellenstapelstruktur liegt ein weiterer Schwerpunkt auf planaren, serien- verschalteten Brennstoffzellen in einer Ebene. Die Integration von
Brennstoffzellensystemen in übergeordnete Systeme, die elektrische Systemauslegung inklusive Span- nungsaufbereitung und Sicherheitstechnik werden ebenfalls erforscht. Der Betrieb von Brennstoffzellen- systemen erfordert Wasserstoff als Brennstoff. Das Fraunhofer ISE bietet Lösungen an durch Elektrolyse von Wasser oder durch katalytische Umsetzung (Reformierung) wasserstoffreicher Energieträger. Für die Reformierung kommen fossile Brennstoffe wie Erdgas, Flüssiggas, Benzin, Diesel, Kerosin oder Heizöl sowie biogene/regenerative Energieträger wie Biogas, Holz, Bio-Ethanol oder Rapsöl in Frage.
Das Fraunhofer ISE entwickelt Batteriesysteme als Bestandteil von hybriden Energieversorgungssystemen für netzferne Anwendungen, zur Netzstützung und für Anwendungen in Elektro- und Plug-In-Hybridfahrzeugen. Schwer- punkt ist dabei die Optimierung von Betriebsführungsstrategien und Entwicklung von Batteriemanagementsystemen (BMS) für alle gängigen Technologien um Batteriealterung und -kosten zu reduzieren. Ein besonde- rer Akzent liegt auf der Stack- und Systementwicklung sowie dem Batterie- management für Vanadium-Redoxflow-Batterien für dezentrale Anwendungen.
Technikfolgenabschätzung, Energierecht und -wirtschaft Brennstoffzellen und Wasserstoff
Redoxflow
n i k f
h o l In Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung
c g
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T n in Karlsruhe betreibt das Fraunhofer ISE die Forschungsgruppe „Renewable Energy I nnovation Policy“ und trägt damit dem zunehmenden Bedarf einer immer engeren Verzahnung von Technologieentwicklung und angewandter Forschung mit der ökonomischen Systemanalyse und Innovationsforschung Rechnung.
Solares und energieeffizientes Bauen
Mitgliedsinstitut des FVEE
43 Vernetzung
Mitglied im FVEE seit 1990
Mit 930 Mitarbeitern ist das Fraunhofer ISE das größte europäische Solarforschungsinstitut.
Standorte
Freiburg; Fraunhofer ISE Labor- und Servicecenter Gelsenkirchen LSC; Center für Silizium-Photovol- taik CSP in Halle/Saale mit dem Schwerpunkt Kristalltechnologien; Technologiezentrum Halb- leitermaterialien THM in Freiberg. Es besteht eine Kooperation mit dem MIT in Boston/USA: das Fraunhofer Center for Sustainable Energy Systems CSE.
Zertifizierungen
Akkreditierte Testzentren: CalLab PV Cells, CalLab PV Modules, TestLab PV Modules,
TestLab Solar Thermal Systems, TestLab Solar Façades. Zudem Qualitätssicherung von PV-Kraft- werken, Batterie-Prüflabor, Wechselrichtertests, Wärmepumpen-Teststand
Zusammenarbeit mit Universitäten
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg; Fernuniversi- tät Hagen; Universität Karlsruhe; Universität Konstanz; Universität Koblenz-Landau; Technische Universität Berlin; Hochschule Offenburg, TFH Georg Agricola zu Bochum, Staatliche Akademie der Bildenden Künste, Stuttgart; Berufsakademie Ravensburg; Konkuk University Seoul, Korea
Mitgliedschaften
Das Fraunhofer ISE ist Mitglied der Fraunhofer- Gesellschaft, der führenden Trägerorganisation für Einrichtungen der angewandten Forschung in Europa. Weitere Mitgliedschaften: EUREC Agency, EU-Technologieplattformen PV und Solarthermie, EPIA (assoziiertes Mitglied), ESTIF (European Solar Thermal Industry Federation), International Energy Agency IEA
Ausgründungen des Fraunhofer ISE
• Concentrix Solar GmbH, Freiburg (Photovoltaik)
• PSE AG, Freiburg (Solarthermie und Photovoltaik)
• SorTech AG, Halle (Kältetechnik)
• solares bauen GmbH, Freiburg (Bauphysik und Technikplanung)
• Holotools GmbH, Freiburg (Entwicklung und Fertigung von Oberflächen für Lichtmanagement)
• Solar Spring GmbH, Freiburg (Dezentrale Wasseraufbereitung)
